基于ABAQUS 的GFRP 約束圓鋼管偏壓模擬分析

李運凱 王晨

（煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005）

鋼結構有著強度高、自重輕、抗震性能好等優點，然而鋼結構在受壓狀態下易發生屈曲失穩破壞如圖1 所示，通常出現較突然且造成較嚴重的損失，鋼結構穩定性問題仍需進一步研究。近年來，纖維增強樹脂復合材料(FRP)在土木工程領域得到了應用和發展[1-5]，FRP 可以良好的約束住鋼構件，使長細比較大鋼構件在受壓情況下仍具有較高的穩定性能。錢鵬[6]等針對細長CFRP 一鋁合金復合管進行了軸壓試驗研究，分析了其基本受力性能和破壞模式，基于試驗與數值模擬分析得到了該組合管的屈曲荷載計算公式。錢拓[7]對CFRP 加固圓鋼管柱在軸心荷載作用下的穩定性能進行了試驗和有限元分析研究。發現CFRP 可以很好的提高圓鋼管的軸壓下的極限承載力，并通過模擬分析提出了CFRP 加固軸壓圓鋼管柱的極限承載力修正公式。魯效堯[8]采用ABAQUS 有限元軟件對未加固框架節點、碳纖維加固框架節點、碳纖維與角鋼組合加固框架節點分別進行了模擬分析，結果顯示碳纖維與角鋼進行組合加固是最為有效的，承載能力得到了較大提高，同時隨著碳纖維布纏繞層數的增加，節點承載能力逐漸增加。陳家旺,完海鷹[9]通過CFRP 加固方鋼管柱與未加固方鋼管柱分別進行軸心受壓加載試驗研究，分析了纖維復合材料鋪層厚度與角度對試件受壓破壞的影響從而提出了復合材料加固方鋼管柱穩定承載力計算公式的修正系數，并通過有限元軟件進行了分析對比得出較為合理的修正系數。馮鵬,林旭川[10]等對碳纖維增強復合材料分別對圓管截面和方管截面的鋁合金進行了纏繞約束，增強的組合構件分別進行了軸壓試驗、長管軸壓穩定試驗、彎曲試驗，通過這些試驗研究進行了理論分析提出了軸心受壓下的組合構件的承載離計算公式和組合構件的局部屈曲承載力計算公式。呂海波[11]采用GFRP 管對軸心受壓角鋼構件進行抗屈曲加固，加固后角鋼構件的極限承載力提、延性得到一定程度的提高；采用GFRP 管加固對長細比較大的構件效果較明顯。現有研究中多進行了FRP 與鋼構件的組合結構軸壓性能試驗研究，然而實際工程中結構很難做到僅軸心受壓。這是由于構件存在著材料缺陷、幾何缺陷等，故對FRP約束鋼構件有必要進行進一步性能研究。本文采用有限元軟件ABAQUS 模擬了GFRP 約束圓鋼管軸壓與偏壓不同狀態下屈曲性能。GFRP 約束圓鋼管組合構件示意圖如圖2 所示，外側采用玻璃纖維（GFRP）環向纏繞圓鋼管即纖維方向平行于圓鋼管截面方向。玻璃纖維對圓鋼管全長約束，L 為約束長度。其中D 為組合構件外直徑、Ds 為圓鋼管外直徑、t 為玻璃纖維約束厚度、ts 為圓鋼管壁厚。e 代表了加載點距組合構件軸心距離，e=0 代表了軸心受壓、e≠0 代表了偏心受壓。本文主要研究纖維厚度與加載偏心距對GFRP 約束圓鋼管的屈曲性能的影響，L×Ds×ts（900mm×61mm×1.5mm）取定值。試件分組編號及模擬結果如表1，編號采用字母數字組合方式以T3E5 為例表示了該組合構件纖維約束厚度為3mm,加載點距軸心距離為5mm。

圖1 鋼結構屈曲失穩破壞

圖2 組合構件示意圖

表1 試件分組編號及模擬結果

1 有限元模擬

1.1 模型建立

利用商業有限元軟件ABAQUS 建立了GFRP 約束圓鋼管組合構件的有限元模型如圖3 所示。其中每層GFRP 布厚度為1mm，GFRP 纏繞鋪層在有限元軟件的實現如圖4 所示。采用八節點線性六面體單元和簡化積分沙漏控制(C3D8R)模擬圓鋼管，對于GFRP 采用殼單元(S4R)進行模擬。選擇10 毫米的平均網格尺寸是因為它在結果的精度和計算時間的合理性。圓鋼管的界面和GFRP 界面使用有限元模型中的“tie”接觸。在ABAQUS 中的組合構件頂部和底部分別設置一個參考點,分別為頂部和底部參考點,使其構件頂部和底部與參考點耦合起來。對組合構件底部參考點的X 向、Y 向、Z 向的平動及轉動全部約束起來，頂部參考點的X 向、Y 向平動及X 向、Z 向轉到需約束起來。通過改變頂部參考點X 向距組合構件中心點的距離實現偏心受壓。為了觸發初始不規則性，導致試件在壓縮載荷下不穩定，將初始缺陷應用于有限元模型。在計算載荷條件的影響之前，首先對所建立的模型進行特征值屈曲分析。在有限元模型中引入了一階屈曲模態的形狀作為初始缺陷，該模態的變形相當于總長度的1/1000。在ABAQUS 中打開“Nlgeom”函數，以考慮大位移的非線性效應。

圖3 組合構件的有限元模型

圖4 組合構件的GFRP 鋪層模型

1.2 材料屬性

該模型中對圓鋼管采用雙線性應力應變模型。該模型采用各向異性彈性材料來反映GFRP 材料性能，不同方向的材料特性使用ABAQUS 中的工程常數定義。建立圓柱坐標系以限定玻璃纖維的材料方向，玻璃纖維的方向平行與圓鋼管截面。在有限元軟件ABAQUS 中定義了纖維增強復合材料的Hashin 失效準則來模擬玻璃纖維的失效。圓鋼管與玻璃纖維材料屬性見表2。

表2 材料屬性

2 結果分析

有限元模擬GFRP 約束圓鋼管的壓曲峰值荷載見表1，其中T0E0 代表了單獨圓鋼管軸壓狀態，峰值荷載為63.5kN。采用GFRP 約束圓鋼管可以有效的提高該試件的壓曲峰值荷載，由表1 可知只有T1E10 試件的峰值荷載略小于圓鋼管軸壓峰值荷載，其主要原因為此試件的GFRP 約束厚度較低且受壓偏心距較大，從而降低了約束效果；其它試件的峰值荷載均高于圓鋼管軸壓峰值荷載，體現了GFRP 可以較好的為圓鋼管試件提供約束性能從而提高組合時間的壓曲峰值荷載。GFRP 約束圓鋼管的壓曲峰值荷載變化曲線如圖5，分別為GFRP 纏繞厚度一定情況下偏心距對峰值荷載的影響，偏心距一定情況下GFRP 纏繞厚度對峰值荷載的影響。當GFRP 約束厚度為1mm 時，受壓偏心距5mm 相對軸心受壓降低了15.3%，受壓偏心距10mm 相對軸心受壓降低了23.1%；當GFRP 約束厚度為2mm 時，受壓偏心距5mm 相對軸心受壓降低了23.3%，受壓偏心距10mm 相對軸心受壓降低了29.2%；當GFRP 約束厚度為3mm 時，受壓偏心距5mm 相對軸心受壓降低了32.5%，受壓偏心距10mm 相對軸心受壓降低了36.9%。當試件受壓偏心距為0mm 時，GFRP約束厚度2mm、3mm 相比與約束厚度1mm 分別增加了17.3%、41.65%；當試件受壓偏心距為5mm 時，GFRP 約束厚度2mm、3mm 相比與約束厚度1mm 分別增加了6.2%、12.9%；當試件受壓偏心距為10mm 時，GFRP 約束厚度2mm、3mm 相比與約束厚度1mm 分別增加了8.0%、16.1%。

圖5 峰值荷載變化曲線

3 結論

通過有限元軟件ABAQUS 對GFRP 約束圓鋼管試件進行了軸壓與偏壓狀態的模擬分析得到了GFRP 纏繞厚度、偏心距大小對該試件壓曲峰值荷載的影響。主要結論如下：

3.1 GFRP 可以有效的為圓鋼管提供約束，從而提高試件的抗壓曲性能。

3.2 當GFRP 約束厚度一定時，隨著偏心距的增加，試件的受壓峰值荷載呈非線性遞減趨勢，且GFRP 約束厚度越大受偏心距影響越大。

3.3 當試件受壓偏心距一定時，隨著GFRP 約束厚度的增加，試件的受壓峰值荷載呈非線性遞增趨勢。當偏心距為零時，試件的受壓峰值荷載遞增效果最為明顯。